基于VisVSA軟件尾門側(cè)尾燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

董丙闖

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

隨著生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)汽車靜態(tài)感知質(zhì)量的關(guān)注越來越高，各汽車企業(yè)逐步認(rèn)識(shí)到，要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)等源頭方面去進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制。根據(jù)Montgomery 等人分析，80%的制造問題是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的，裝配過程中大量的尺寸問題都源于設(shè)計(jì)階段沒有充分考慮工藝能力[1]。而零件的匹配效果受自身的定位方式、尺寸精度，關(guān)聯(lián)零件偏差以及焊接工藝能力等因素的影響。如果只是簡(jiǎn)單的提高零件的公差要求，會(huì)相應(yīng)的增加生產(chǎn)成本的投入，并且不一定會(huì)達(dá)到預(yù)期效果。因此，各公司都希望通過優(yōu)化定位、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、采用簡(jiǎn)易工裝或者先進(jìn)的制造工藝等方法縮短尺寸鏈環(huán)、減少公差累積[2]。因此，轎車制造的尺寸偏差控制日益成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)研究問題之一[3]。

本文基于三維偏差分析軟件VisVSA， 以某車型尾門側(cè)尾燈安裝匹配為例，通過尺寸偏差分析手段，優(yōu)化尾燈定位方案，從而提高設(shè)計(jì)合理性，減少后期制造調(diào)試驗(yàn)證時(shí)間，降低成本。

1 三維偏差分析軟件及其算法

三維偏差分析軟件是通過動(dòng)態(tài)模擬裝配方式反映總成零件在實(shí)際裝配中的情況，進(jìn)而進(jìn)行建模計(jì)算。目前主要的三維偏差分析軟件有VSA、3DCS，其都是基于蒙特卡洛模擬法的三維偏差分析軟件。蒙特卡羅算法的基本思想為：當(dāng)我們所要求解的問題是某個(gè)隨機(jī)事件的期望值，或者為某種隨機(jī)變量所要出現(xiàn)的概率時(shí)， 運(yùn)用現(xiàn)有某種“實(shí)驗(yàn)” 的方法，通過隨機(jī)事件所要出現(xiàn)的頻次估算這一隨機(jī)變量將要出現(xiàn)的概率，或能夠解得我們所要求的這個(gè)隨機(jī)事件一些數(shù)學(xué)特征，如均值標(biāo)準(zhǔn)差等，并將它作為我們所要求解問題的解[4]。用蒙特卡羅模擬法進(jìn)行公差分析的具體步驟為[5]：

（1）明確各組成環(huán)的分布規(guī)律；

（2）根據(jù)計(jì)算精度要求，確定隨機(jī)模擬次數(shù)N；

（3）根據(jù)各組成環(huán)尺寸的分布規(guī)律和分布范圍，分別對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)抽樣，從而得到一組已知組成環(huán)和封閉環(huán)尺寸的隨機(jī)抽樣（x1，x2，x3，…，xn）；

（4）將隨機(jī)抽樣（x1，x2，x3，…，xn）代入公差函數(shù)，計(jì)算未知的封閉環(huán)或組成環(huán)尺寸，得到該尺寸的一個(gè)子樣；

（5）將步驟（3）和（4）重復(fù)N次，即可得到封閉環(huán)尺寸的N個(gè)子樣，構(gòu)成一個(gè)樣本；

（6）對(duì)求解的封閉環(huán)或組成環(huán)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，從而確定封閉環(huán)尺寸的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及公差等。

目前，蒙特卡羅模擬法進(jìn)行運(yùn)算流程圖[5]見下圖1所示：

圖1 蒙特卡洛法計(jì)算流程圖

2 尾門側(cè)尾燈三維偏差分析模型建立

尾門側(cè)尾燈裝配關(guān)系以及與周圈零件匹配關(guān)系如圖2所示，其裝配偏差只與尾門總成以及自身尺寸偏差有關(guān)，但是其裝配質(zhì)量的好壞，會(huì)影響到其與尾門外裝飾板、尾門總成、車身側(cè)尾燈等零件DTS匹配符合性。因此，通過三維偏差分析軟件VisVSA，對(duì)尾門側(cè)尾燈定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化，可以減少后期制造匹配難度，提升效率，節(jié)約成本。

圖2 尾門側(cè)尾燈安裝匹配關(guān)系

2.1 尾燈定位方案

（1）在設(shè)計(jì)階段根據(jù)造型及安裝匹配要求制定出初版的定位方案，如圖3所示：選擇與尾門安裝匹配的燈體安裝面A1-A4為主基準(zhǔn)，控制X方向平移，繞Y/Z方向的旋轉(zhuǎn)；與尾門總成4方位孔B對(duì)應(yīng)的燈體卡扣做為第二基準(zhǔn)B，控制沿Y/Z方向的平移；與尾門總成上2方位孔C對(duì)應(yīng)的燈體螺柱選為第三基準(zhǔn)，控制繞X方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)尾燈定位方案，創(chuàng)建尾燈偏差分析模型，因?yàn)閳D紙基準(zhǔn)B/C是要求模擬對(duì)手件裝配，所示尺寸是按照鈑金件要求建立。

圖3 尾燈初版定位方案

（2）創(chuàng)建完成尾燈的模型，再根據(jù)尾燈的安裝定位點(diǎn)，對(duì)應(yīng)選定尾燈底座加強(qiáng)板上的安裝點(diǎn)，從而創(chuàng)建尾門分析模型。

2.2 測(cè)量點(diǎn)選取及模型建立

（1）根據(jù)尾燈和尾門匹配關(guān)系及DTS設(shè)計(jì)要求，為了全面反映尾燈安裝狀態(tài)，分別在與尾門外裝飾板、尾門總成、車身側(cè)尾燈位置各取兩個(gè)點(diǎn)觀察尾燈安裝后對(duì)應(yīng)位置尺寸的波動(dòng)情況，并在尾門上取X3、X4兩點(diǎn)觀察尾燈與尾門的DTS超差情況，如圖4所示。

圖4 測(cè)量點(diǎn)選取

（2）根據(jù)尾燈和尾門的GD&T圖紙要求，在VisVSA軟件中創(chuàng)建尾燈到尾門的偏差分析模型，如圖5所示。

圖5 尾燈與尾門偏差分析模型結(jié)構(gòu)樹

3 偏差分析結(jié)果及優(yōu)化

3.1 尾燈初版定位方案分析結(jié)果

（1）運(yùn)行偏差分析模型，分析結(jié)果見表1所示。從運(yùn)行結(jié)果可以看出，整個(gè)尾燈上超差較多的測(cè)量點(diǎn)（X1/X2/X3/X6/Y1/Y2/Z1）是分布在靠近車身側(cè)尾燈匹配區(qū)域，超差概率最高達(dá)到17.16%>5%（由概率統(tǒng)計(jì)學(xué)知，當(dāng)樣本數(shù)為5 000 次，置信區(qū)間因子為0.0392時(shí)，置信度可達(dá)95.00%[6]），且CPK較低，該區(qū)域零件設(shè)計(jì)穩(wěn)健性差。分析影響該區(qū)域狀態(tài)的影響因子，得知尾燈底座加強(qiáng)板上A3對(duì)整個(gè)結(jié)果的影響最大。單純的加嚴(yán)該位置的公差并不能完全解決該問題，且會(huì)增加制造難度及成本。

表1 尾燈初版定位分析結(jié)果

（2）圖6所示是尾門側(cè)尾燈與尾門DTS超差情況，該位置DTS要求是：1.5±0.75。從偏差分析結(jié)果查看，也是靠近車身側(cè)尾燈位置超差較多，與前文問題對(duì)應(yīng)，且影響因子最大的是尾燈底座加強(qiáng)板上A3，其次是A4、A1。

圖6 尾燈與尾門DTS偏差分析結(jié)果

（3）在與車身尾燈匹配位置，尾燈只有一個(gè)安裝點(diǎn)A4，且處于偏下位置，安裝點(diǎn)覆蓋零件的范圍不足，在安裝時(shí)很容易受其它安裝點(diǎn)的影響，造成該區(qū)域零件狀態(tài)波動(dòng)。

3.2 定位方案優(yōu)化

（1）為了提高尾門側(cè)尾燈與車身側(cè)尾燈匹配區(qū)域零件尺寸狀態(tài)及穩(wěn)定性，需要在該位置增加安裝點(diǎn)。因?yàn)樵煨鸵呀?jīng)確定，尾燈位置無法移動(dòng)，而受尾門限位器的影響，此位置無法布置兩個(gè)螺栓打緊點(diǎn)，因此保留原螺栓打緊點(diǎn)，另外在尾燈螺栓上下兩側(cè)各增加一個(gè)定位，如圖7所示，避免螺栓打緊時(shí)，零件出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)或者翹起。

圖7 優(yōu)化后尾燈定位結(jié)構(gòu)

（2）根據(jù)優(yōu)化的尾燈定位，通過建立VSA模型，運(yùn)行結(jié)果如表2所示。整個(gè)零件的超差概率得到了極大的改善，超差概率小于5%，CPK數(shù)值也得到較大提升，零件安裝匹配質(zhì)量顯著提高。

表2 尾燈定位優(yōu)化分析結(jié)果

（3）根據(jù)優(yōu)化的尾燈定位結(jié)構(gòu)，模擬分析尾燈和尾門的DTS，結(jié)果提升較大。對(duì)于仍然有部分超差6.92%>5%的區(qū)域，通過查看影響因子，零件包邊面的面輪廓度貢獻(xiàn)率占52.59%，通過適當(dāng)提升零件質(zhì)量（面輪廓度由1.5提高為1.2），超差概率降為4.48%<5%，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖8所示。因此，尾燈采用優(yōu)化后的定位結(jié)構(gòu)及適當(dāng)提高零件質(zhì)量可以很好的滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 尾燈與尾門DTS偏差分析結(jié)果

4 結(jié)語

通過借助三維偏差分析軟件VisVSA，對(duì)某車型尾門側(cè)尾燈定位方案進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化了尾燈定位方案，提高了尾燈的安裝匹配精度，從而提升與周圈零件的匹配質(zhì)量。

通過三維偏差分析軟件等虛擬裝配手段，可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，幫助合理定義尺寸配合要求及優(yōu)化零件定位方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，輔助將問題在設(shè)計(jì)階段解決，從而減少實(shí)車階段尺寸配合問題發(fā)生，縮短整車開發(fā)周期，降低成本，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力。